WO2005119823A1

WO2005119823A1 - 排気弁の故障診断装置

Info

Publication number: WO2005119823A1
Application number: PCT/JP2005/009838
Authority: WO
Inventors: Norimasa Ishikawa; Naoki Kanie
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2005-12-15
Also published as: JP4636336B2; US9147893B2; DE112005001278T5; JPWO2005119823A1; DE112005001278B4; US20070218327A1

Abstract

　排気弁の故障判定を正確に行える故障診断装置を提案する。故障診断装置（５０）は、燃料電池スタック（２０）から排気されるアノード排出ガスの排出流路（３２）に配設された排気弁（６２）の故障を診断するための装置であって、燃料電池スタック（２０）のアノード排出ガスの排出口（２７）と排気弁（６２）との間のアノード排出ガスの状態量を検出する検出部（７０）と、検出部（７０）が検出したアノード排出ガスの状態量と、燃料電池スタック（２０）の運転状態に対応する故障判定値とに基づいて排気弁（６２）の故障を判定する判定部（５１）とを備える。

Description

明細書排気弁の故障診断装置技術分野

本発明は燃料電池システムのアノード排出ガスの排出流路に配設されている排気弁の故障を判定する故障診断装置に関するものであり、特に、故障判定精度を高めるための改良技術に関する。背景技術

単セルを直列に複数積層して成る燃料電池スタックに燃料ガスと酸化ガスを供給して電力を発電する燃料電池システムにおいては、アノード極から排出された水素ガスを再びアノード極に還流させることにより未反応水素ガスを電池反応に再利用する構成が知られている。水素ガスの循環路には水素ガスの一部を排気するための水素排気弁が設けられており、水素ガスに含まれる水素以外の成分濃度が高くなつた時点で水素排気弁を定期的に開くことによりアノード極に供給される水素濃度を適正に維持している。ところが、水素排気弁に異常が生じ、弁の開閉作動が正常に機能しない場合には、電池運転に支障が生じることとなる。このため、特開 2 0 0 3— 9 2 1 2 5号公報には水素排気弁への水素排出指令を検知し、燃料電池スタックの燃料給気部の目標圧力と実際の水素供給圧とに基づいて水素排気弁の故障を判定する技術が提案されている。水素排気弁が開いている場合には実際の水素供給圧は目標圧力よりも低下するはずであるから、その差分が閾値以上であれば正常であり、差分が閾値未満であれば閉故障と判定できる。また、水素排気弁が閉じている場合には、実際の水素供給圧は目標圧力に一致するはずであるから、その差分が閾値未満であれば正常であり、差分が閾値以上であれば開故障と判定できる。

[特許文献 1 ] 特開 2 0 0 3— 9 2 1 2 5号公報発明の開示

し力し、上述の従来技術では、燃料電池スタックの水素供給路に圧力センサを設置して水素供給圧を検出する構成としているため、水素循環系を備えたシステムでこのような構成を採用すると、圧力センサは水素ガスを伝播する水素循環ポンプの脈動（圧力変動）の影響を受けるため、水素排気弁の故障診断に必要な水素供給圧を正確に検出することが困難になり、故障判定を誤診断する虞がある。

また、水素排気弁の故障の有無を検知するために、水素排気弁の上流側に圧力センサを設置するだけでは、燃料電池の出力変動に伴う水素循環系の圧力変化や、配管の圧力損失等により、水素排気弁を開閉したときに十分な圧力差を得ることができず、誤検出をする場合があった。

また、従来では、水素排気弁の開閉時間と燃料電池スタックの発電電量との関係を予めマップデータとして保持しておき、このマップデータを参照しながら水素排気弁を開閉制御していたので、水素排気系の経時変化や何等かのシステム要因により水素排気弁の流量特性に変化が生じた場合に、実際の水素パージ量とマップ値（予定される水素パージ量）との間にずれが生じ得る。実際の水素パージ量がマップ値を下回ると、水素循環系の不純物濃度が上昇し、燃料電池スタックの発電特性が低下する。一方、実際の水素パージ量がマップ値を上回ると、.燃費の悪化を招く。このような異常を検出するために、水素排気弁の開弁時と閉弁時のそれぞれにおける、水素排気弁上流側の水素排出通路の圧力変化を検出するだけでは、異常部位を特定することができない。

そこで、本発明は上述の問題を解決し、燃料電池システムのアノード排出ガスの排出流路に配設されている排気弁の故障判定を正確に行える故障診断装置を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の故障診断装置は、燃料電池から排気されるァノード排出ガスの排出流路に配設された排気弁の故障を診断するための装置であって、燃料電池のアノード排出ガスの排出口と排気弁との間のァノード排出ガスの状態量を検出する検出手段と、検出手段が検出したァノ一ド排出ガスの状態量に基づいて排気弁の故障を判定する判定手段とを備える。アノード排出ガスの排出口と排気弁との間のアノード排出ガスの状態量に基づいて排気弁の故障判定を行うため、正確な故障診断が可能になる。本発明の故障診断装置は、燃料電池から排気されるアノード排出ガスの排出流路に配設された排気弁の故障を診断するための装置であって、燃料電池のアノード排出ガスの排出口と排気弁との間のアノード排出ガスの状態量を検出する検出手段と、検出手段が検出したアノード排出ガスの状態量と燃料電池の運転状態に対応する故障判定値とに基づいて排気弁の故障を判定する判定手段とを備える。燃料電池の運転状態に対応する故障判定値に基づいて排気弁の故障判定を行うことにより、燃料電池の運転状態に影響されることなく正確に故障判定を行える。

排気弁の故障判定に用いられるアノード排出ガスの状態量としては、例えば、アノード排出ガスの圧力が好適である。

本発明の故障診断装置はァノ一ド排出ガスの排出口と排気弁との間の排出流路の流路断面積を小さくする絞り手段を更に備え、検出手段は絞り手段と排気弁との間のアノード排出ガスの状態量を検出するように構成するのが望ましい。排出流路に絞り手段を設置することで ^;、排気弁の開弁時におけるァノ一ド排出ガス圧の低下量を一層大きくすることができるため、燃料電池の運転状態によって変動するアノード排出ガス圧の影響を受けずに正確な故障判定を行える。こで、判定手段は排気弁の故障が検出された場合には排気弁の故障判定を複数回繰り返すのが望ましい。このように構成すれば、一時的な作動不良等による誤判定を回避できる。

また、判定手段は、排気弁の開閉に伴う圧力変動に基づいて排気弁の故障を判定するのが好ましい。排気弁の開閉に伴う圧力変動を検出することで、弁故障を判定できる。

また、判定手段は、閉弁している排気弁が開弁するときに検出手段が検出するアノード排出ガスの圧力、排気弁が開弁してから閉弁するまでに検出手. 段が検出するアノード排出ガスの最低圧力、及び開弁している排気弁が閉弁するときに検出手段が検出するアノード排出ガスの復帰圧力に基づいて排気弁の故障を判定するのが好ましい。これら複数の圧力値に基づいて排気弁の故障判定を行うことで、精度の高い故障判定を実現できる。

また、判定手段は、閉弁している排気弁が開弁するときに検出手段が検出したアノード排出ガスの圧力値の低下量が所定の閾値未満である場合に、排気弁の下流側又は排気弁自体に流量低下要因があると判定し、所定の閾値以上である場合に、排気弁の上流側に流量低下要因があると判定するのが好ましい。かかる構成により、アノード排出ガスの排出流路に生じた流量低下要因の部位を特定できる。図面の簡単な説明

図 1は実施例 1の燃料電池システムの主要構成図である。

図 2は水素排気弁の開弁時における出口水素圧力の低下を示す図である。図 3は出口水素圧力の絶対圧を利用した故障判定ルーチンである。

図 4は出口水素圧力の差圧を利用した故障判定ルーチンである。

図 5は実施例 2の燃料電池システムの主要構成図である。

図 6は実施例 3の燃料電池システムの主要構成図である。図 7は水素排気弁の開閉動作に伴う圧力変^ [匕,を示す説明図である。

図 8は水素排気弁の故障判定ルーチンである。

図 9は水素排気弁の開閉動作に伴う圧力変化を示す説明図である。

図 1 0は水素排気弁の開閉動作に伴う圧力変化を示す説明図である。図 1 1は水素排気系の異常部位を特定する判定ルーチンである。発明を実施するための最良の形態

本実施形態の故障診断装置は、水素排気弁に開閉指令が与えられたときにおける燃料電池の水素排出口と水素排気弁との間の水素流路（水素排出路又は水素循環路）を流れる水素ガス.（アノード排出ガス）の状態量を検出し、検出された水素ガスの状態量と燃料電池の運転状態に対応する故障判定値とに基づいて（例えば、水素ガス状態量と故障判定値との大小関係等を比較して）水素排気弁の故障（開閉故障等の作動不良又は破損等によるガス漏れ）を判定する。ここで、水素ガスの状態量とは、水素圧力又はこれと物理的に等価な物理量（例えば、水素ガスの流量又は流速など）をいう。更に、水素ガスの状態量には水素圧力又はこれと物理的に等価な物理量の変化量又はその変化速度を含むものとする。後述する各実施例ではガス状態量として水素圧力（絶対圧）又はその変化量を例示するが、これに限定されるものではない。また、故障判定値とは故障判定の目安となる水素ガスの状態量をいい、燃料電池の運転状態に応じて変動する水素ガスのガス状態量の変動量を加味した上で適正な故障判定が行えるように設定するのが望ましい。

(実施例 1 )

図 1は本実施例に係わる燃料電池システム 1 0の概略構成を示している。同システム 1 0は、例えば、燃料電池車両搭載用又は定置用の発電システムとして構成されており、反応ガス（水素ガス、酸素ガス）の供給を受けて電力を発電する燃料電池スタック 2 0を備えている。燃料電池スタック 2 0はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜 2 1の両面にアノード極 2 2と力ソード極 2 3をスクリーン印刷等で形成した膜電極接合体 2 4を備えている。膜電極接合体 2 4の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドィツチされ、このセパレータとアノード極 2 2及び力ソード極 2 3との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル 2 5及び力ソードガスチャンネル 2 6を形成している。高圧水素タンク又は水素吸蔵合金タンク等の水素供給源（図示せず）から放出される水素ガスはレギユレータ 6 1にて所定圧に減圧された後に水素供給路 3 1を流れてアノード極 2 2に供給され、電池反応に供した後に水素排出路 3 2を流れて排出される。水素排出路 3 2には水素オフガスをシステム外に排出するための水素排気弁 6 2が配設されている。水素排気弁 6 2としては、例えば、電磁遮断弁が好適であり、リニア弁、オンオフ弁の何れでもよい。燃料電池スタック 2 0の水素排出口 2 7と水素排気弁 6 2との間には水素排出路 3 2内の水素圧力を検出する検出手段としての圧力センサ 7 0が設置されている。一方、酸素供給路 4 1から力ソード極 2 3に供給される酸素ガスは電池反応に供した後に酸素排出路 4 2を流れて排出される。制御部 5 0は要求負荷に応じて発電制御を行うシステムコントローラであり、必要に応じて水素排気弁 6 2の開閉指令を与えて水素オフガスを定期的に排出する。制御部 5 0は圧力センサ 7 0が検出した水素圧力に基づいて水素排気弁 6 2の開閉故障又は破損等の故障を判定する判定手段 5 1を備えた故障診断装置として機能する。

次に、水素排気弁 6 2の故障判定の概要について説明する。水素排気弁 6 2が正常に閉弁しているときには、水素排気口 2 7と水素排気弁 6 2との間の水素排出路 3 2の水素圧力（以下、出口水素圧力と称する。）の最低圧は水素パージ時（水素排気弁 6 2の開弁時）の想定最高圧（推定最高圧）以上になり、水素排気弁 6 2が正常に開弁しているときには、出口水素圧力は通常運転時（水素排気弁 6 2の閉弁時）の想定最低圧（推定最低圧）以下に.なることが本発明者の実験により確認されている。ここで、水素パージ時の想定最高圧及び通常運転時の想定最低圧としては、システムの運転状態（燃料電池スタック 2 0の運転負荷やレギュレータ 6 1の流量特性など）に対応して定まる圧力値でもよく、又はシステムの運転状態に関係ない一定圧力値であってもよい。これらの圧力値（水素パージ時の想定最高圧、通常運転時の想定最低圧）は水素排気弁 6 2の故障判定値として用いることができる。具体的には、水素排気弁 6 2が閉弁しているときの出口水素圧力（絶対圧）若しくは水素排気弁 6 2が開弁しているときの出口水素圧力（絶対圧）を故障判定値と比較することにより、又はこれらの出口水素圧力の差圧を故障判定値と比較することにより、水素排気弁 6 2の開閉故障又は破損等の有無を判定できる。但し、出口水素圧力は水素排気弁 6 2が開閉しなくても、運転負荷やレギュレータ 6 1の流量特性等に起因して水素流量が絶えず変動するため、これらの影響による圧力変動が水素排気弁 6 2の開閉に伴う圧力変動として誤判定されないように故障判定値の値を設定する必要がある。また、水素排気弁 6 2の開閉故障を一旦検出すると、故障判定を所定回数繰り返し実行することで誤判定を回避することができる。

図 3は出口水素圧力の絶対値を用いた水素排気弁故障判定ルーチンを示している。同ルーチンは制御部 5 0によって実行される。同ルーチンが呼び出されると、まず、変数 Iを初期化するために、初期値「1」を代入する（S 1 0 1 )。変数 Iは故障判定の繰り返し回数を計数するための変数である。次に、水素パージを行うか否かを判定する（S 1 0 2 )。水素パージを行う場合には（S 1 0 2 ； Y E S )、水素排気弁 6 2に開弁指令を与え（S 1 0 3 )、出口水素圧力の最低値（圧力センサ 7 0が検出した最低圧） P 1が水素パージ時の想定最高圧 P X以上であるか否かを判定する（S 1 0 4 )。出口水素圧力の最低値 P 1が水素パージ時の想定最高圧 P X未満である場合には（S 104 ; NO), 正常に開弁していると判定し（S 105)、同ルーチンを終了する。一方、出口水素圧力の最低値 P 1が水素パージ時の想定最高圧 PX以上である場合には（S 104 ； YES), 水素排気弁 62が正常に開いていない、つまり、閉故障と判定する（S 106)。そして、変数 Iの値を「 1」だけインクリメントし（ S 107 )、変数 Iの値が所定回数 I A 未満であれば（S 108 ; NO)、 S 103以降の処理を再度繰り返し、変数 Iの値が所定回数 I A以上であれば（S 108 ； YE S)、水素排気弁 6 2は閉故障の状態にあると確定する（S 109)。

一方、水素パージを行わない場合には（S 102 ； NO)、水素排気弁 6 2に閉弁指令を与え（S 1 10)、出口水素圧力（圧力センサ 70が検出した水素圧） P 2が通常運転時の想定最低圧 PY以下であるか否かを判定する (S 1 1 1)。出口水素圧力 P 2が通常運転時の想定最低圧 PY以上である場合には（S 1 1 1 ； NO)、正常に閉弁していると判定し（S 105)、同ルーチンを終了する。一方、出口水素圧力 P 2が通常運転時の想定最低圧 P Y以下である場合には（S 1 1 1 ； YES)、水素排気弁 62が正常に閉じてない、つまり開故障と判定する（S 1 1 2)。そして、変数 Iの値を

「 1」だけィンクリメントし（ S 1 1 3 )、変数 Iの値が所定回数 I B未満であれば（S 1 14 ; NO)、 S 1 10以降の処理を再度繰り返し、変数 I の値が所定回数 I B以上であれば（S 1 14 ； YES)、水素排気弁 62は開故障の状態にあると確定する（S 1 1 5)。

尚、「開故障」とは弁が開いたままになって閉弁できなくなる故障状態をいい、「閉故障」とは弁が閉じたままになって開弁できなくなる故障状態をぃラ。

図 4は出口水素圧力の差圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチンを示している。同ルーチンは制御部 50によって実行される。同ルーチンが呼び出されると、まず、変数 Jを初期化するために、初期値「1」を代入する（S 2 01)。変数 Jは故障判定の繰り返し回数を計数するための変数である。次に、水素パージを行うか否かを判定する (S 202)。水素パージを行わない場合には（S 202 ； NO), 同ルーチンを終了する。水素パージを行う場合には（S 202 ； YE S)、水素排気弁 62に開弁指令を与え（S 20 3)、水素パージ直後（開弁指令を与えた直後）の出口水素圧力 PAと、水素パージ後（開弁指令を与えてから所定時間経過後）の出口水素圧力の最低圧力 PBを記録する（S 204, S 205)。水素排気弁 62が正常に開弁したならば、出口水素圧力は低下するはずであるから、上述した圧力 P Aと圧力 P Bの差圧は所定の想定差圧（故障判定値） P Z以上になることが予想される。想定差圧 PZは水素排気弁 62が正常に開弁したときに検出される出口水素圧力の差圧である。大流量の水素を必要とする高負荷時にはレギュレータ 61の 2次圧は低下する一方で、小流量の水素で足りる低負荷時にはレギユレータ 61の 2次圧は増加するため、想定差圧 PZは高負荷運転時よりも低負荷運転時の方が大きい値になる。そこで、差圧（PA—PB) と想定差圧 PZを比較し、差圧 (PA-PB) が想定差圧 P Z以上であれば（S 206 ； YE S)、開閉故障なし（正常作動）と判定し（.S 207)、同ルーチンを終了する。

一方、差圧（PA— PB) が想定差圧 P Z未満であれば（S 206 ； N 0)、水素排気弁 62が正常に開閉していない、つまり、開閉故障が生じていると判定する（S 208)。次いで、水素排気弁 62が開故障の状態にあるのか又は閉故障の状態にあるのかを判定するため、水素パージ時の出口水素圧力の最低圧力が取り得る最高圧力 P Hと、上述した圧力 P Bを比較し

(S 209)、圧力 P Bが圧力 PH以上である場合には（S 209 ； YES), 水素排気弁 62が正常に開弁しない、つまり、閉故障と判定する（S 21 0)。誤判定を回避するため、再度、水素排気弁 62に開閉指令を与え（S 21 1)、変数 Jの値を「1」だけインクリメントする（S 21 2)。変数 J の値が所定回数 J C未満であれば（S 21 3 ; NO)、 S 204以降の処理を再度繰り返し、変数 Jの値が所定回数 J C以上であれば（S 213 ； YE S)、水素排気弁 62は閉故障の状態にあると確定する（S 214)。

一方、圧力 P Bが圧力 PH未満である場合には（S 209 ； NO), 水素排気弁 62は正常に開弁できていると推定できる。そこで、水素排気弁 62 が開故障の状態にあるか否かを判定するため、水素パージ時の想定最低圧 P Lと、上述した圧力 P Aを比較し（S 21 5)、圧力 PAが圧力 PL以下である場合には（S 21 5 ； YE S)、水素排気弁 62が正常に閉弁しない、つまり、開故障と判定する（S 216)。その後は上述した S 21 1以降の処理を行う。これに対して、圧力 PAが圧力 P L以上である場合には（S 2 15 ； N〇）、 S 208の故障判定は誤りと考えられるため、水素排気弁 6 2に開閉故障は生じてないもの判定して、同ルーチンを終了する。

尚、上述した水素排気弁故障判定ルーチンでは運転負荷に応じて変動する出口水素圧力を用いているので、故障判定精度を高めるために水素排出口 2 7と圧力センサ 70との間の水素排出路 32に流路断面積を小さくするオリフィス（絞り手段又は流量制限手段） 80を設けて（図 1参照）、水素排気弁 62の開弁後における出口水素圧力の低下量を一層増大させるように構成するのが望ましい。圧力センサ 70の上流にオリフィス 80を設けると、水素排出路 32の流体抵抗は増大するため、水素排気弁 62を開弁しても、ォリフィス 80の下流にある圧力センサ 70には水素ガスが流入し難くなる。このため、図 2に示すように、オリフィス 80を設けたときの出口水素圧力 (実線）の低下量はオリフィス 80を設けていないときの出口水素圧力（点線）の低下量よりも大きくなる。このように、水素排気弁 62の開弁後における出口水素圧力の低下量を大きくすることで、運転負荷ゃレギユレータ 6 1の流量特性等に起因する開閉故障の誤判定を回避することができる。伹し、故障判定値として用いられる「水素パージ時の想定最高圧」、「通常運転時の想定最低圧」、「想定差圧」、「水素パージ時の出口水素圧力の最低圧力が取り得る最高圧力」、「水素パージ時の想定最低圧」については、オリフイス 8 0の設置に伴う出口水素圧力の低下量を考慮して適宜補正する必要がある。

本実施例によれば、運転負荷やレギュレータ 6 1の流量特性等に起因する水素流量の変動を加味した故障判定値と、出口水素圧力を比較して水素排気弁 3 2の故障判定を行うので、システムの運転状態に影響されずに故障判定を行うことができる。また、圧力センサ 7 0の上流にオリフィス 8 0を設置することにより水素排気弁 6 2の開弁後における出口水素圧力の低下量を大きくし、運転負荷やレギュレータ 6 1の流量特性等に起因する開閉故障の誤判定を回避できる。

尚、出口水素圧力の絶対圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチンと、出口水素圧力の差圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチンは何れか一方のみを実行してもよいが、一方の故障判定ルーチンで開閉故障が検出された場合に、他方の故障判定ルーチンを実行して開閉故障の有無を再判定するように構成してもよレヽ。 , '

, (実施例 2 )

図 5は本実施例に係わる燃料電池システム 1 1の概略構成を示している。図中、図 1に示した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示すものとしてその詳細な説明を省略する。同システム 1 1は水素循環系を備えており、水素排出路 3 2を流れる水素ガスを水素供給路 3 1に還流させる水素循環路 3 3が配管されている。水素排出路 3 2には燃料電池スタック 2 0 から排出された水素ガスを水素供給路 3 1に圧送するための水素循環ポンプ 6 3が設置されている。水素循環ポンプ 6 3は制御部 5 0によって馬区動制御される。本実施例のように水素循環系に水素循環ポンプ 6 3を備えるシステムでは、レギユレータ 6 1の流量特性に加えて、水素循環ポンプ 6 3の駆動に伴う水素ガスの圧力変動（脈動）が生じるため、圧力センサ 7 0が検出する出口水素圧力（検出圧力）は水素循環ポンプ 6 3の影響を受けて測定誤差を生じる虞がある。そこで、水素循環ポンプ 6 3の下流側と圧力センサ 7 0 との間にオリフィス 8 0を設けることにより、水素循環ポンプ 6 3の駆動に伴い圧力センサ 7 0に伝播する水素ガスの圧力変動を抑制している。本実施例における水素排気弁 6 2の故障判定処理（出口水素圧力の絶対圧又は差圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチン）は実施例 1と同様である。

(実施例 3 )

上述した実施例 1又は実施例 2において、水素排気弁 6 2の開弁時における出口水素圧力の低下を大きくするための手段としては、水素排出路 3 2の流路断面積を小さくすることが可能な絞り手段であれば、必ずしもオリフィス 8 0である必要はなく、例えば、絞り手段としての弁を水素排出路 3 2に配設し、弁開度を調整することで水素排出路 3 2の流路断面積を小さくするように構成してもよい。また、このような絞り手段（オリフィス又は弁など）は必ずしも必須ではなく、適宜省略してもよい。

(実施例 4 )

図 6は本実施例に係わる燃料電池システム 1 2の概略構成を示している。図中、図 5に示した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示すものとしてその詳細な説明を省略する。高圧水素タンク 9 2から放出される水素ガスは水素供給路 3 1を通じて燃料電池 2 0のアノード極 2 2に供給される。電池反応に供した後の水素オフガスは水素排出路 3 2を流れ、水素循環ポンプ 6 3によって圧縮されて、水素循環路 3 3を経由して水素供給路 3 1に還流する。水素循環路 3 3には水素排出路 3 4が分岐配管されており、水素排気弁 6 2を開閉することによって、不純物濃度の高い水素オフガスを水素循環系外に排出する構成となっている。水素排気弁 6 2から排出された水素オフガスは希釈器 9 3に導入され、十分な低濃度に希釈されてシステム外に排気される。一方、大気から取り込まれた空気はエアコンプレッサ 9 1 によって加圧され、酸素供給路 4 1を通じて力ソード極 2 3に供給される。電池反応に供した後の酸素オフガスは酸素排出路 4 2を流れて、希釈器 9 3 に流入する。水素排気弁 6 2の上流側には流量制限要素 9 0が配設されている。流量制限要素 9 0は、水素排出路 3 4を流れる水素オフガスの流量を制限するための部材であり、例えば、オリフィス等である。制御部 5 0はエアコンプレッサ 9 1の駆動制御や水素排気弁 6 2の開閉制御を行う他、圧力センサ 7 0が検出した圧力値に基づいて水素排気弁 6 2の故障判定を行う。圧力センサ 7 0は流量制限要素 9 0の出口側と水素排気弁 6 2の入り口側との間にある水素排出路 3 4内の水素圧を計測する。

図 7は水素排気弁 6 2の開閉動作に伴う圧力変化を示す説明図である。同図に示す例では、水素排気弁 6 2の開閉作動を 3回繰り返すための駆動信号が出力されている。 1回目の開弁指令は時刻 t 1〜 t 2の期間に、 2回目の開弁指令は時刻 t 3〜 t 4の期間に、 3回目の開弁指令は時刻 t 5〜 t 6の期間に、それぞれ出力されている。ところが、 1回目の開弁指令では水素排気弁 6 2は正常に開弁しているものの、 2回目及ぴ 3回目の.開弁指令では水素排気弁 6 2は正常に開閉作動せず、開弁したままである（開故障)。図中、 P 1— nは水素排気弁 6 2に n回目の開弁指令が与えられた直後の圧力値、 P 2— nは水素排気弁 6 2に n回目の開弁指令が与えられてから閉弁指令が与えられる迄の最低圧力値、 P 3— nは水素排気弁 6 2に n回目の閉弁指令が与えられた直後の復帰圧力値である。これらの各圧力値 P 1— n， P 2 _ n，及び P 3— nは、圧力センサ 7 0の検出値である。水素排気弁 6 2に弁故障が生じてない場合には、水素排気弁 6 2が閉弁しているときの圧力 P 1 — nは、水素循環路 3 3の圧力に等しい。水素排気弁 6 2が開弁すると、水素排出路 3 4を流下する水素ガスの流れは流量制限窭素 9 0によって抑制され、最低圧力値 P 2 nは流量制限要素 9 0が無いときの最低圧力値よりも大幅に低下するので、；τΚ素排気弁 6 2の開閉に伴う圧力変化を大きくとることが可能である。

次に、水素排気弁 6 2の開閉故障を診断する方法について説明する。

( 1 ) 制御部 5 0は、 1回目の開弁指令が水素排気弁 6 2に与えられたときの圧力値 Ρ 1— 1， Ρ 2— 1，及ぴ Ρ 3—1を記憶する。

( 2 ) 制御部 5 0は、 Ρ 3—1と Ρ 2—1とを比較し、両者の差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する。図 7に示す例では、 1回目の開弁指令に対して水素排気弁 6 2は正常に開閉しているので、両者の差圧は閾値以上となる。そこで、制御部 5 0は、水素排気弁 6 2が正常に開閉していると判断し、 Ρ 1—1を正常圧力として記憶する。

( 3 ) 制御部 5 0は、 2回目の開弁指令が水素排気弁 6 2に与えられたときの圧力値 Ρ 1— 2 , Ρ 2— 2 , 及び Ρ 3— 2を記憶する。

( 4 ) 制御部 5 0は、 Ρ 3— 2と Ρ 2— 2とを比較し、両者の差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する。図 7に示す例では、 2回目の開弁指令に対して水素排気弁 6 2は正常に開閉していないので、両者の差圧は閾値未満 .となる。そこで、制御部 5 0は、水素排気弁 6 2が開故障の状態にあると判 ,断する。

( 5 ) 水素排気弁 6 2が開故障の状態にあると、大量の水素オフガスが希釈器 9 3に流れ込み、十分に希釈されないままシステム外に排気される虞がある。そこで、制御部 5 0はエアコンプレッサ 9 1に対してエア流量の増加を指示する。

( 6 ) 更に、再判定のために制御部 5 0は水素排気弁 6 2に 3回目の開弁指令を与える。

( 7 ) 制御部 5 0は、 3回目の開弁指令が水素排気弁 6 2に与えられたときの圧力値 P 1— 3 , Ρ 2— 3，及ぴ Ρ 3— 3を記憶する。

( 8 ) 制御部 5 0は、 P I— 1 (正常時圧力）と P 1— 3とを比較し、両者の差圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する。図 7に示す例では、 3回目の開弁指令に対して水素排気弁 62は正常に開閉していないので、両者の差圧は閾値以上となる。そこで、制御部 50は、水素排気弁 62が開故障の状態が継続していると判定する。

(9) 水素排気弁 62の開故障の状態が継続していると判定されたならば、最終確認として、制御部 50は P 3— 3と P 2— 3とを比較し、両者の差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する。図 7に示す例では、 3回目の開弁指令に対して水素排気弁 62は正常に開閉していないので、両者の差圧は閾値未満となる。そこで、制御部 50は水素排気弁 62の開故障の状態が継続していると判定する。

図 8は水素排気弁 62の故障判定ルーチンを示している。同図を参照しながら、上述の説明を再述する。同ルーチンが呼び出されると、制御部 50は P 3—1と P 2—1との差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する（S 301)。 P 3—1と P 2_1との差圧が所定の閾値以上である場合には (S 301 ； YES), 制御部 50は、水素排気弁 62が正常に開閉していると判定し（S 302)、本ルーチンを終了する。一方、 P 3— 1と P 2— 1との差圧が所定の閾値未満である場合には（S 301 ； NO), 水素排気弁 62が開故障している可能性があるので、制御部 50は再度、水素排気弁 62に開弁指令を与えるとともに、エアコンプレッサ 91にエア流量増加指示を与える（S 303)。次いで、制御部 50は、 P I— 1と P 1— 3との差圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する（S 304)。 P I— 1と P 1—3との差圧が所定の閾値未満である場合には（S 304 ； YE S)、制御部 50は、水素排気弁 62が正常に開閉していると判定し（S 302)、本ルーチンを終了する。一方、 P 1—1と P 1—3との差圧が所定の閾値以上である場合には（S 304 ； NO)、水素排気弁 62が開故障している可能性があるので、再確認のために、 P 3_3と P 2— 3との差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する. （S 3 0 5 )。 P 3— 3と P 2— 3との差圧が所定の閾値以上である場合には（S 3 0 5 ； Y E S ) , 制御部 5 0は、水素排気弁 6 2が正常に開閉していると判定し（S 3 0 2 )、本ルーチンを終了する。一方、 P 3— 3と P 2— 3との差圧が所定の閾値未満である場合には（S 3 0 5 ； N O)、制御部 5 0は、水素排気弁 6 2が開故障していると判定し（S 3 0 6 )、本ルーチンを終了する。

本実施例によれば、流量制限要素 9 0の出口側と水素排気弁 6 2の入口側との間の水素排出路 3 4に圧力センサ 7 0を配設したので、水素排気弁 6 2 の開閉に伴う圧力変化を大きくとることが可能となる。また、複数の圧力値 ( P I— n， P 2 _n , 及び P 3— n ) の比較により水素排気弁 6 2の故障をより正確に判定することができるとともに、水素排気弁 6 2の開故障に備えて予めエアコンプレッサ 9 1のエア流量を増量しておくことで、高濃度水素ガスの排気を抑制できる。

(実施例 5 )

次に、水素排気系に生じた流量低下要因の部位を判定する方法について説明する。本実施例が適用される燃料電池システムは、水素排気弁 6 2の上流側に圧力センサ 7 0が配設された構成であればよい。例えば、実施例 4のように、水素排気弁 6 2とその上流側に配設された流量制限要素 9 0との間に圧力センサ 7 0が配設された構成がより好ましい。説明の便宜上、実施例 4 の燃料電池システム 1 2を参照しながら説明する。

図 9及び図 1 0は、水素排気弁 6 2の開閉動作に伴う圧力変化を示している。図中、 P 1は水素排気弁 6 2に開弁指令が与えられた直後の圧力値、 P 2は水素排気弁 6 2に開弁指令が与えられてから閉弁指令が与えられる迄の最低圧力値、 P 3は水素排気弁 6 2が閉弁して所定時間が経過した後の圧力値（復帰圧力値）を示している。 P 1 ~ P 3は、何れも圧力センサ 7 0の検出値である。図 9において、実線は水素排気弁 6 2の下流側或いは水素排気弁 6 2自体に流量低下要因（例えば、詰まり等）が生じたときの圧力変化を示し、一点鎖線は正常状態の圧力変化を示している。水素排気弁 6 2の下流側或いは水素排気弁 6 2自体に流量低下要因が生じると、水素排気弁 6 2下流側或いは水素排気弁 6 2自体の圧力損失が増加するので、水素排気弁 6 2を開弁したときに圧力センサ 7 0が検出する圧力値 P 2は、正常値 P 2 ' よりも高くなる。一方、水素排気弁 6 2の上流側には、流量低下要因が無いので、水素排気弁 6 2閉弁時の圧力変化は、正常時の圧力変化とほぼ同様となり、復帰圧力 P 3は、正常値とほぼ同一である。

図 1 0において、実線は水素排気弁 6 2の上流側（例えば、流量制限要素 9 0 ) に流量低下要因が生じたときの圧力変化を示し、一点鎖線は正常状態の圧力変化を示している。水素排気弁 6 2の上流側に流量低下要因が生じると、流量制限要素 9 0を通過する水素ガス量が低下するので、水素排気弁 6 2を開弁したときに圧力センサ 7 0が検出する圧力値 P 2は、正常値 P 2 " よりも低くなる。更に、水素排気弁 6 2の上流側の圧力損失の増大に伴い、水素排気弁 6 2を閉弁しても、圧力は直ちには復帰せず、復帰圧力 P 3は正常値 P 3〃よりも低くなる。

このように、水素排気弁 6 2の下流側或いは水素排気弁 6 2自体に流量低下要因が生じた場合と、その上流側に流量低下要因が生じた場合とでは、圧力変化の様子が大きく異なる。水素排気弁 6 2の下流側或いは水素排気弁 6 2自体に流量低下要因が生じると、水素排気弁 6 2を開弁したときの圧力降下量（P 1—P 2 ) は小さくなる力水素排気弁 6 2を再び閉弁したときの圧力復帰量（P 3—P 2 ) は正常値である。一方、水素排気弁 6 2の上流側に流量低下要因が生じると、水素排気弁 6 2を開弁したときの圧力降下量 ( P 1 - P 2 ) は大きくなり、水素排気弁 6 2を再ぴ閉弁したときの圧力復帰量（P 3— P 2 ) は小さくなる。図 1 1は水素排気系の異常部位判定/レーチンを示している。

制御部 60は、水素排気弁 62に開閉指令を与えるとともに、圧力センサ 70が検出した圧力値 P 1， P 2, P 3を記憶する。

制御部 60は、差圧（P 1— P 2) が所定の閾値以内であれば（S 40 1 ； YES)、正常であると判定する（S402)。

一方、差圧（P 1— P 2) が所定の閾値を超えていれば（S 401 ； N 0)、制御部 60は、規定差圧一 (P 1 -P 2) を演算する（S 403)。規定差圧— （ P 1— P 2 ) 〉0であれば（ S 404 ： YES), 制御部 60は、水素排気弁 62の下流側又は水素排気弁 62自体に流量低下要因が生じていると判定する（S 405)。

規定差圧一（ P 1— P 2 ) ≤ 0であれば（ S 404 ： NO), 制御部 60 は、規定差圧— （P 3— P 2) を演算する（S 406)。規定差圧一 (P 3 一 P 2 ) > 0であれば（ S 407 ： YES), 制御部 60は、水素排気弁 6 2の上流に流量低下要因が生じていると判定する（S409)。

規定差圧— （P 3— P 2) 0であれば（S 407 ： NO)、制御部 60 は、水素排気弁 62の下流側の圧力損失が減少しているものと判定する（S 408)。

本実施例によれば、圧力値 P 1， P 2, P 3を検出することにより、水素排気系に生じた流量低下要因の部位（異常部位）を特定することができる。産業上の利用可能性

本発明によれば燃料電池の運転状態に対応する故障判定値に基づいて排気弁の故障判定を行うので、燃料電池の運転状態に影響されることなく正確に故障判定を行える。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池から排気されるァノード排出ガスの排出流路に配設された排気弁の故障を診断するための装置であって、前記燃料電池のアノード排出ガスの排出口と前記排気弁との間のアノード排出ガスの状態量を検出する検出手段と、前記検出手段が検出したアノード排出ガスの状態量に基づいて前記排気弁の故障を判定する判定手段とを備える、故障診断装置。

2 . 請求項 1に記載の故障診断装置であって、前記判定手段は、前記検出手段が検出したアノード排出ガスの状態量と前記燃料電池の運転状態に対応する故障判定値とに基づいて前記排気弁の故障を判定する、故障診断装置。

3 . 請求項 1又は請求項 2に記載の故障診断装置であって、前記アノード排出ガスの状態量は前記アノード排出ガスの圧力である、故障診断装置。

4 . 請求項 1乃至請求項 3のうち何れか 1項に記載の故障診断装置であつて、前記排出口と前記排気弁との間の排出流路の流路断面積を小さくする絞り手段を更に備え、前記検出手段は前記絞り手段と前記排気弁との間のァノード排出ガスの状態量を検出する、故障診断装置。

5 . 請求項 1乃至請求項 4のうち何れか 1項に記載の故障診断装置であつて、前記判定手段は前記排気弁の故障が検出された場合には前記排気弁の故障判定を複数回繰り返す、故障診断装置。

6 · 請求項 1乃至請求項 5のうち何れか 1項に記載の故障診断装置であつて、前記判定手段は、前記排気弁の開閉に伴う圧力変動に基づいて前記排気弁の故障を判定する、故障診断装置。

7 . 請求項 6に記載の故障診断装置であって、前記判定手段は、閉弁している排気弁が開弁するときに前記検出手段が検出するアノード排出ガスの圧力、前記排気弁が開弁してから閉弁するまでに前記検出手段が検出するァノ一ド排出ガスの最低圧力、及び開弁している排気弁が閉弁するときに前記検出手段が検出するアノード排出ガスの復帰圧力に基づいて前記排気弁の故障を判定する、故障診断装置。

8 . 請求項 1に記載の故障診断装置であって、前記判定手段は、閉弁している排気弁が開弁するときに前記検出手段が検出したアノード排出ガスの圧力値の低下量が所定の閾値未満である場合に、前記排気弁の下流側又は前記排気弁自体に流量低下要因があると判定する、故障診断装置。

9 . 請求項 1に記載の故障診断装置であって、前記判定手段は、閉弁している排気弁が開弁するときに前記検出手段が検出したァノード排出ガスの圧力値の低下量が所定の閾値以上である場合に、前記排気弁の上流側に流量低下要因があると判定する、故障診断装置。